二次冷轧机组工作辊温度场与热行为仿真研究

韦 晓 李秀军 王亚南

(1:宝山钢铁股份有限公司 上海 201900；2:北京科技大学 北京 100083)

1 前言

在轧制过程中，金属轧件在轧制变形区内产生塑性变形热，轧辊与轧件之间由于相对滑动产生摩擦热，这些热量的一部分从轧制区传入轧辊使轧辊温度升高，与此同时，轧辊周围的环境，包括润滑冷却液、空气以及机架，会从轧辊表面带走热量[1]。不断流入和流出的热量使轧辊温度场时刻发生着微妙的变化，轧辊内部温度特征的改变，由此引起的轧辊几何等性能的变化称为轧辊热行为[2]。冷轧过程中的轧辊热行为主要是轧辊物理特征的变化，体现为辊径的变化(热膨胀)以及辊径变化的轴向分布变化(热凸度)[3]。轧辊热变形直接关系到空载辊缝的设定精度和控制精度，从而直接影响着带钢厚度和板形质量[4-5]。某厂二次冷轧机组由两机架UCM轧机组成，1#机架负责轧制，2#机架负责平整，主要生产极薄规格DR材产品，产品最薄规格可达到0.1mm。该机组1#机架工作辊有两种辊径，分别是小辊径工作辊φ300/φ340×1220mm和大辊径工作辊φ410/φ460×1220mm[6-7]。该机组生产特点不同于冷连轧机组，其轧制过程不连续，每卷带钢轧制间歇期较长，导致轧辊热凸度不稳定，尤其是在新辊上机后的一段轧制过渡过程中。轧辊热凸度不稳定，尤其对薄料板形影响敏感，直接影响到成品带钢的板形质量。本文基于ANSYS有限元仿真软件，通过APDL参数化语言，建立大小辊工作模式下工作辊温度场与热凸度有限元仿真模型，仿真计算生产中，在以每个生产计划轧制时间为周期和以每卷带钢轧制时间为周期的工作辊热平衡的建立过程中，其温度场和热凸度的变化过程，从而确定生产过程中工作辊热凸度大小变化规律，为辊缝控制精度的实时补偿控制提供了依据。

2 有限元建模

2.1 热传导区域划分

为方便分析，根据现场冷却液系统和实际生产情况将换热区域划分为八个区域，如图1所示。

图1 工作辊圆周方向换热区域划分

图1中，A 为带钢与工作辊接触区域，包括接触热传导、塑性变形热、摩擦热等，使工作辊产生温升；B、H 为带钢向工作辊热辐射区域，使工作辊产生温升；C、G 为冷却水与工作辊接触区域，使工作辊发生温降；D、F 为工作辊与空气对流换热区域，使工作辊发生温降；E 为工作辊与支承辊接触区域，使工作辊发生温降。在计算模型中，忽略所有辐射换热。

2.2 边界条件的等效与简化

在实际生产轧制过程中，边界条件和传热方式影响因素多且复杂，模型计算量大，因此对模型作如下简化：

① 假设轧机及轧辊的操作侧与传动侧的结构参数一致；

② 忽略轧辊间、轧辊与环境间的辐射换热，忽略轧辊间的热传导。

③ 工作辊两端按照绝热边界处理；

④ 带钢和工作辊之间的热量传递在模型中等效为热流密度处理。

2.3 建立工作辊轴对称温度场模型

由于1220DCR机组平均轧制速度为600m/min，轧辊转速高，轧制过程中轧辊表面受到周期性热载荷和对流换热，周期大约为0.14s，由此可见轧辊表面循环载荷周期很小，因此忽略轧制过程中圆周方向的温度场变化。因此，基于边界条件等效和简化，利用 ANSYS有限元软件中的APDL编程语言，建立二维工作辊轴对称有限元模型，加密工作辊表面网格。变量载荷以数组元素的形式存入数组中，构成循环载荷库，所有加载时间步也作为数组元素放在数组中。轧辊每个转动周期内，程序自动调用对应时间及时间对应的载荷，数组中的元素加载在轧辊上，程序随着时间的进行，自动循环执行载荷的加载和求解。单纯温度场分析采用PLANE5单元，热-结构耦合单元采用PLANE13，模型如图2所示。

图2 二维工作辊轴对称有限元模型

模型中工作辊大辊半径为225mm，小辊半径为165mm，辊长均为1220mm，带钢宽度为900mm，带钢钢种为DR-9CA。工作辊初始温度和环境温度均为25℃，冷却液温度为40℃，根据相关理论经验公式，水冷系数取1000W/(m·K)，空冷系数取40W/(m·K)。轧辊物性参数如表1。

表1 工作辊物性参数

3 结果与分析

3.1 工作辊温度场分析

根据现场实际情况，模型中每卷带钢轧制时间，即轧制期时长设置为30min，每卷带钢轧制间歇期时长设置为10min，待轧辊温度场稳定时，在某卷带钢轧制完成时，立即停机从轧机中抽出工作辊进行工作辊表面温度测量，在模型中此过程时长设置为5min，即从某卷带钢轧制完成到抽出工作辊开始测量表面温度时，模型中设置时长为5min。

如图3所示为小辊生产模式时，从工作辊上机开始轧制时刻开始计时，第四卷带钢轧制结束5min后工作辊温度场分布，此时工作辊已经达到热平衡状态；图4所示为不同时刻的工作辊表面温度沿轴向分布，图中两虚线区域为带钢与轧辊接触区域，即带钢宽度。

T=9300s(第四卷带钢结束5min后时)

图4 不同时刻工作辊表面温度分布

如图5所示为大辊生产模式时，从工作辊上机开始轧制时刻开始计时，第四卷带钢轧制结束5min后工作辊温度场分布，此时工作辊已经达到热平衡状态；图6所示为不同时刻的工作辊表面温度沿轴向分布，图中两虚线之间区域为带钢与轧辊接触区域，即带钢宽度。

T=9300s(第四卷带钢结束5min后时)

图6 不同时刻工作辊表面温度分布

从工作辊温度云图中可以看出，无论大小辊生产模式，工作辊达到热平衡状态时，在工作辊轴向，中间与带钢接触的部分温度明显高于与带钢未接触的部分，并且在与带钢接触的部分，即带钢宽度部分，也呈现出中间温度明显高于两边温度的规律；

从图4和图6中可以看出，随着轧制时间的增加，工作辊表面沿轴向的温度逐渐变的分布平缓，尤其是在工作辊与带钢接触的区域。从工作相同时间的大、小辊径工作辊温度场分布中可以看出，小辊更容易达到热平衡，根据工作辊温度云图及表面轴向温度分布可以看出，小辊径工作辊在轧制2～3卷带钢时即基本达到热平衡状态，大辊径工作辊在轧制完4卷带钢时基本达到热平衡状态。

如图7所示为小辊生产模式下，某生产计划的下机工作辊(上工作辊)温度实测值与计算值的对比图。

图7 计算值与实测值比较

从图7中可以看出，工作辊温度计算值和现场实测值最大误差小于2℃，并且分布趋势一致；因此计算值和实测值较为吻合，也验证了本文的计算模型能够较好地模拟热轧工作辊的温度场分布。

3.2 工作辊热变形分析

工作辊发生热变形是因为工作辊温度升高引起的轧辊产生热膨胀所致，热膨胀是热和结构两个的物理场之间的相互作用的结果，故本分析采取热-结构耦合的方式来分析轧辊热变形，将所求得的节点温度作为体载荷加载到模型上进行结构分析。

如图8所示为小辊生产模式下时，从工作辊上机开始轧制时刻开始计时，在不同时刻的工作辊内部的径向热膨胀量(径向位移量)分布。图9所示为不同时刻工作辊表面径向热变形量分布，a)为工作辊从上机开始轧制到热平衡过程中，每卷带钢轧制结束时热凸度，b)为第四卷带钢从开始轧制到结束期间不同时刻工作辊热凸度。

如图10所示为大辊生产模式下时，从工作辊上机开始轧制时刻开始计时，在不同时刻的工作辊内部的径向热膨胀量(径向位移量)分布。图11所示为不同时刻工作辊表面径向热变形量分布，a)为工作辊从上机开始轧制到热平衡过程中，每卷带钢轧制结束时热凸度，b)为第四卷带钢从开始轧制到结束期间不同时刻工作辊热凸度。

从图8～图11中可以看出，无论大小辊生产模式，随着轧制时间增加，工作辊温度升高，热膨胀量逐渐增大。小辊径工作辊随着工作辊从轧制第一卷带钢到第四卷带钢逐渐达到热平衡的过程中，工作辊在轧制区的热膨胀量之差越来越大，即热凸度越来越大，在T=1800s、4200s、9000s时，轧制区热膨胀量之差，即热凸度分别大约为15μm、18μm、23μm；大辊径工作辊在T=1800s、4200s、9000s时，轧制区热膨胀量之差分别大约为12μm、18μm、26μm。因此，大辊径工作辊在达到热膨胀稳定的过程中，热膨胀量大于小辊径工作辊，并且在达到热平衡时，大辊径工作辊轧制区热凸度略微大于小辊经工作辊。因此工作辊从上机开始轧制到达到以生产计划为周期的热平衡状态中，产生了动态变化的热凸度，需在板形控制技术上予以动态消除热凸度的影响。

图8 不同时刻工作辊径向热变形

在工作辊温度达到热平衡时，由于每卷带钢存在轧制间歇期，导致工作辊在这期间存在温降，导致工作辊在轧制每卷带钢带头部分时，会存在一个以每卷带钢轧制时长为周期的新的热平衡状态的建立过程，如图9(b)和图11(b)，第四卷带钢在轧制前600s内，工作辊热凸度基本已经重新达到新的热平衡状态，小辊径工作辊轧制区热凸度从17μm增加到23μm，大辊径工作辊轧制区热凸度从20μm增加到25μm。因此，每卷带钢开始轧制约前1/3长度内，工作辊热凸度处于动态变化状态，在生产中可以根据板形调控技术给予辊缝精度的动态补偿以消除其对板形的影响。

图9 不同时刻工作辊表面径向热变形量

图10 不同时刻工作辊径向热变形

图11 不同时刻工作辊表面径向热变形量

4 结论

通过仿真计算轧制过程中工作辊温度场和热凸度变化，为辊缝控制精度的补偿控制提供了依据，得到以下结论：

(1)在以每个生产计划轧制时间为周期的工作辊热平衡的建立过程中，随着轧制时间的增加，工作辊表面沿轴向的温度逐渐变的分布平缓，尤其是在工作辊与带钢接触的区域。从工作相同时间的大、小辊径工作辊温度场分布中可以看出，由于小辊直径较小，达到热平衡时所需的时间较大辊短，小辊更容易达到热平衡，根据工作辊温度云图及表面轴向温度分布可以看出，小辊径工作辊在轧制2～3卷带钢时即基本达到热平衡状态，大辊径工作辊在轧制完4卷带钢时基本达到热平衡状态；

(2)在以每个生产计划轧制时间为周期的工作辊热平衡的建立过程中，无论大小辊生产模式，随着轧制时间增加，工作辊温度升高，热膨胀量逐渐增大。小辊径工作辊在T=1800s、4200s、9000s时，轧制区热凸度分别大约为15μm、18μm、23μm；大辊径工作辊在T=1800s、4200s、9000s时，轧制区热凸度分别大约为12μm、18μm、26μm。因此工作辊从上机开始轧制到达到以生产计划为周期的热平衡状态中，产生了动态变化的热凸度，需根据板形调控技术予以辊缝精度动态补偿，以消除工作辊热凸度对辊缝精度的影响。

(3)在以每卷带钢轧制时间为周期的工作辊热平衡的建立过程中，由于每卷带钢存在轧制间歇期，导致工作辊在这期间存在温降，导致工作辊在轧制每卷带钢带头部分时，会存在一个新的热平衡状态的建立过程，这个过程主要发生在每卷带钢的轧制前600s内，即每卷带钢前1/3长度处，其间，小辊径工作辊热轧制区凸度从17μm增加到23μm，大辊径工作辊轧制区热凸度从20μm增加到25μm。因此，每卷带钢开始轧制约前1/3长度内，工作辊热凸度处于动态变化状态，在生产中可以根据板形调控技术给予辊缝精度的动态补偿以消除其对板形的影响。